Ba vật liệu được nghiên cứu trong luận án đều có sự tham gia của bentonite với vai trò như là chất nền (trong FB và IFMB) hoặc là chất phân tán gia cường và tạo liên kết ngang (trong CAB/CGA)
1 3 1 1 Thành phần, cấu trúc bentonite
Bentonite là một loại khoáng sét tự nhiên có thành phần chính là
montmorillonite (MMT) và một số loại khoáng khác như kaolinite, canxite, thạch anh và muối của các kim loại kiềm và kiềm thổ Trong thành phần hoá học của bentonite ngoài hai nguyên tố chính là nhôm và silic còn có các nguyên tố như: Fe, Ca, Mg, Ti, K, Na…Tỷ lệ mol Al2O3/SiO2 trong MMT nằm trong khoảng 1/2 đến 1/4
MMT, (Na,Ca)0,33(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 nH2O, là một alumosilicate thường được tạo ra từ quá trình phong hóa của các loại đá nghèo silica MMT có cấu trúc lớp 2:1 Cấu trúc tinh thể của MMT gồm hai mạng tứ diện SiO4 và xen giữa là một mạng
bát diện MeO6 (Me = Al, Mg) Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hydrat Trong mạng cấu trúc của MMT thường xảy ra sự thay thế đồng hình của các cation, ở mạng bát diện Al3+ bị thay thế bằng Mg2+, Fe2+, Zn2+, Li2+, ở mạng tứ diện Si4+ bị thay thế bởi Al3+ hoặc Fe3+ Sự thay thế đồng hình của các cation hoá trị cao bằng các cation hoá trị thấp tạo ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc phiến sét và làm cho bề mặt MMT xuất hiện các điện tích âm Đối với bentonite, sự thay thế đồng hình này thường xảy ra tại lớp bát diện kẹp giữa hai lớp tứ diện
1 3 1 2 Phản ứng trao đổi cation của MMT – sự tách lớp
Khả năng trao đổi cation là một đặc tính rất quan trọng của bentonite Các cation trao đổi nằm trên bề mặt có độ linh động cao do có liên kết yếu với bề mặt phiến sét, vì vậy chúng dễ dàng di chuyển trên bề mặt và trao đổi với các cation khác Khả năng trao đổi phụ thuộc chủ yếu vào hoá trị và bán kính của các ion trao đổi Ở cùng một nồng độ, khả năng trao đổi của các cation thay đổi theo dãy: H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > NH4+ > Na+ Các lớp cấu trúc liên kết với nhau bởi lực Van der Waal thông qua cầu nối liên kết -OSiO-, chính vì vậy nước hoặc các chất vô cơ/hữu cơ khác dễ dàng xâm nhập vào mạng tinh thể, gây ra sự tăng khoảng cách giữa các lớp, do đó MMT có độ trương nở cao Chiều dày của một lớp cấu trúc là 9,6 Å khi ở trạng thái khô Khi hấp thụ nước thì khoảng cách giữa các lớp cấu trúc tăng lên đến khoảng 15-20 Å Khoảng cách này còn có thể tăng hơn nữa khi các cation trao đổi được thay thế bằng các ion vô cơ phân cực, các phức cơ kim, phân tử hữu cơ, … [70-72] Mô hình cấu trúc và phản ứng trao đổi cation của MMT được đưa ra trên Hình 1 3
Quá trình trao đổi cation gây nên sự biến đổi trong cấu trúc lớp của MMT Các lớp cấu trúc riêng lẻ (hoặc tập hợp của một số lớp) khi được tách rời có kích thước dưới 100 nm, được gọi là nanoclay [73] Ưu điểm lớn nhất của nanoclay là có diện tích bề mặt cao và có khả năng thay đổi các đặc tính của khoáng sét như tính phân cực, thế zeta, tính axit, khả năng trao đổi cation, kích thước mao quản, Ứng dụng của nanoclay hết sức phong phú, trong nông nghiệp, sinh học Nhiều quy trình tách lớp bentonite đã được nghiên cứu và công bố khi sử dụng các phương pháp khác nhau như ly tâm, đông lạnh, siêu âm, sử dụng chất hoạt động bề mặt, [74-76]
Một ví dụ điển hình là quá trình tổng hợp các polymer - clay nanocomposite Bentonite thường được biến tính trước bằng cách kết hợp với các chất hoạt động bề mặt hoặc các tác nhân tương hợp như các amoni bậc 4, phospholipid, PEG
(polyethylene glycol) Quá trình các ion vô cơ kích thước nhỏ (Na+), linh động được trao đổi với các ion hữu cơ kích thước lớn dẫn đến hai kết quả: bản chất bề mặt của các phiến sét riêng biệt sẽ được biến đổi từ ưa nước sang ưa dầu hoặc dầu - nước, và khoảng trống giữa các lớp được mở rộng ra Tùy thuộc mức độ mở rộng khoảng cách giữa các lớp sẽ hình thành 3 dạng nanocomposite (Hình 1 4):
Nanocomposite thông thường (conventional phase separated composites): Các nanoclay và polyme nền không trộn hợp và phân tán đều được với nhau
Nanocomposite xen lớp (intercalated nanocomposite): Một hoặc nhiều mạch phân tử polyme khuếch tán vào giữa các lớp nanoclay
Nanocomposite tách lớp (exfoliated nanocomposite): các nanoclay đã phân tán đều trong mạng nền polyme ở dạng từng lớp clay